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聊聊Kubernetes有状态应用管理

2023-03-20

​我们在《Kubernetes工作负载管理》中主要介绍了无状态应用的管理,当时也有提到有状态应用,但是由于那时候还没有解释数据如何持久化就没有做深度的介绍,而在这章,我们会着重介绍如何进行有状态应用的管理。什么是有状态应用实例之间的不等关系以及实例对外数据有依赖关系的应用,就被称为"有状态应用"。所

​我们在《Kubernetes工作负载管理》中主要介绍了无状态应用的管理,当时也有提到有状态应用,但是由于那时候还没有解释数据如何持久化就没有做深度的介绍,而在这章,我们会着重介绍如何进行有状态应用的管理。

什么是有状态应用

实例之间的不等关系以及实例对外数据有依赖关系的应用,就被称为"有状态应用"。

所谓实例之间的不等关系即对分布式应用来说,各实例,各应用之间往往有比较大的依赖关系,比如某个应用必须先于其他应用启动,否则其他应用将不能启动等。

对外数据有依赖关系的应用,最显著的就是数据库应用,对于数据库应用,我们是需要持久化保存其数据的,如果是无状态应用,在数据库重启数据和应用就失去了联系,这显然是违背我们的初衷,不能投入生产的。

所以,为了解决Kubernetes中有状态应用的有效支持,Kubernetes使用StatefulSet来编排管理有状态应用。 StatefulSet类似于ReplicaSet,不同之处在于它可以控制Pod的启动顺序,它为每个Pod设置唯一的标识。其具有一下功能:

  • 稳定的,唯一的网络标识符
  • 稳定的,持久化存储
  • 有序的,优雅部署和缩放
  • 有序的,自动滚动更新

StatefulSet的设计很容易理解,它把现实世界抽象为以下两种情况:(1)、拓扑状态。这就意味着应用之间是不对等关系,应用要按某种顺序启动,即使应用重启,也必须按其规定的顺序重启,并且重启后其网络标识必须和原来的一样,这样才能保证原访问者能通过同样的方法访问新的Pod;(2)、存储状态 。这就意味着应用绑定了存储数据,不论什么时候,不论什么情况,对应用来说,只要存储里的数据没有变化,读取到的数据应该是同一份;

所以StatefulSet的核心功能就是以某种方式记录Pod的状态,然后在Pod被重新创建时,通过某种方法恢复其状态。

如何使用StatefulSet

在《Kubernetes应用访问管理》中,我们介绍了Service,它是为一组Pod提供外部访问的一种方式。通常,我们使用 Service访问Pod有一下两种方式:(1)、通过Cluster IP,这个Clustre IP就相当于VIP,我们访问这个IP,就会将请求转发到后端Pod上;(2)、通过DNS方式,通过这种方式首先得确保Kubernetes集群中有DNS服务。这个时候我们只要访问"my-service.my-namespace.svc,cluster.local",就可以访问到名为my-service的Service所代理的后端Pod;

而对于第二种方式,有下面两种处理方法:(1)、Normal Service,即解析域名,得到的是Cluster IP,然后再按照方式一访问;(2)、Headless Service,即解析域名,得到的是后端某个Pod的IP地址,这样就可以直接访问;

而在使用StatefulSet的时候,主要用到Headless Service,还记得Headless Service怎么定义的吗?

我们只需要把ClusterIP设置为None即可,如下:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-headless-service
  labels:
    name: nginx-headless-service
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    name: nginx
  ports:
  - port: 8000
    targetPort: 80
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了解了Headless Service,还需要了解PV、PVC是怎么使用的,如果忘记了,可以移步《Kubernetes数据持久化管理》回顾,这里就不再赘述了。

下面,我们开始使用StatefulSet。

首先,我们创建两个个PV,因为准备为有状态应用创建两个副本,如下:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nginx-pv01
  labels:
    storage: pv
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  capacity:
    storage: 1Gi
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/k8s
    server: 192.168.205.128
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nginx-pv02
  labels:
    storage: pv
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  capacity:
    storage: 1Gi
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/k8s
    server: 192.168.205.128
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然后编写StatefulSet需要的YAML文件,如下:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
    role: stateful

---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
        role: stateful
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi
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注意上面的 YAML 文件中和volumeMounts进行关联的是一个新的属性:volumeClaimTemplates,该属性会自动声明一个 pvc 对象和 pv 进行管理,而serviceName: "nginx"表示在执行控制循环的时候,用nginx这个Headless Service来保存Pod的可解析身份。

创建完成后,可以看到会起两个Pod:

$ kubectl get pod | grep web
web-0                                  1/1     Running   0             2m45s
web-1                                  1/1     Running   0             2m41s
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从这两个Pod的命令可以看到,它们的名字不像Deployment那样随机生成的字符串,而是0,1这样的序号。这是因为StatefulSet要保证每个Pod顺序,确保每次重启或者更新,每个Pod依然保持以前的数据,不会错乱。所以StatefulSet会以[statefulset-name]-[index]规则进行命名,其中index从0开始。而且每个Pod的创建是有顺序的,如上只有web-0进入running状态后,web-1才创建。

当两个Pod都进入running状态后,就可以查看其各自的网络身份了,我们通过kubectl exec来查看,如下:

$ kubectl exec web-0 -- sh -c 'hostname'
web-0
$ kubectl exec web-1 -- sh -c 'hostname'
web-1
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可以看到这两个pod的hostname和pod的名字是一致的,都被分配为对应的编号,接下来我们用DNS的方式来访问Headless Service。

我们先启动一个调试Pod,如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: dnsutils
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: dnsutils
    image: lansible/dnstools
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  restartPolicy: Always
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然后进入dnsutils容器进行解析,如下:

$ kubectl exec -it dnsutils -- /bin/sh
/ # nslookup web-0.nginx
Server:         10.96.0.10
Address:        10.96.0.10#53

Name:   web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 172.16.51.247

/ # nslookup web-1.nginx
Server:         10.96.0.10
Address:        10.96.0.10#53

Name:   web-1.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 172.16.51.251

/ #
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从nslookup的结果分析,在访问web-0.nginx的时候解析的是web-0这个Pod的IP,另一个亦然。这表示,如果我们在应用中配置web-0.nginx,则只会调用web-0这个Pod,在配置有状态应用,比如Zookeeper的时候,我们需要在配置文件里指定zkServer,这时候就可以指定类似:zk-0.zookeeper,zk-1.zookeeper。

如果我们现在更新StatefuleSet,起更新顺序是怎么样的呢?

首先,我们新开一个终端,输入以下命令用以观察:

$ kubectl get pods -w -l role=stateful
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          67m
web-1   1/1     Running   0          67m
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然后使用以下命令更新应用的镜像,如下:

$ kubectl set image statefulset/web nginx=nginx:1.8
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然后观察web应用的更新顺序,如下:

$ kubectl get pods -w -l role=stateful
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          67m
web-1   1/1     Running   0          67m
web-1   1/1     Terminating   0          68m
web-1   1/1     Terminating   0          68m
web-1   0/1     Terminating   0          68m
web-1   0/1     Terminating   0          68m
web-1   0/1     Terminating   0          68m
web-1   0/1     Pending       0          0s
web-1   0/1     Pending       0          0s
web-1   0/1     ContainerCreating   0          0s
web-1   0/1     ContainerCreating   0          1s
web-1   1/1     Running             0          10s
web-0   1/1     Terminating         0          69m
web-0   1/1     Terminating         0          69m
web-0   0/1     Terminating         0          69m
web-0   0/1     Terminating         0          69m
web-0   0/1     Terminating         0          69m
web-0   0/1     Pending             0          0s
web-0   0/1     Pending             0          0s
web-0   0/1     ContainerCreating   0          0s
web-0   0/1     ContainerCreating   0          1s
web-0   1/1     Running             0          9s
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从整个顺序可以看到,起更新是从后往前进行更新的,也就是先更新web-1的pod,再更新web-0的pod。通过这种严格的对应规则,StatefulSet就保证了Pod的网络标识的稳定性,通过这个方法,就可以把Pod的拓扑状态按照Pod的名字+编号的方式固定起来。此外,Kubernetes还为每一个Pod提供了一个固定并且唯一的访问入口,即这个Pod的DNS记录。

由此,我们对StatefulSet梳理如下:(1)、StatefulSet直接管理的是Pod。这是因为StatefulSet里的Pod实例不像ReplicaSet中的Pod实例完全一样,它们是有细微的区别,比如每个Pod的名字、hostname等是不同的,而且StatefulSet区分这些实例的方式就是为Pod加上编号;(2)、Kubernetes通过Headless Service为这个编号的Pod在DNS服务器中生成带同样编号的记录。只要StatefulSet能保证这个Pod的编号不变,那么Service中类似于web-0.nginx.default.svc.cluster.local这样的DNS记录就不会变,而这条记录所解析的Pod IP地址会随着Pod的重新创建自动更新;(3)、StatefulSet还可以为每个Pod分配并创建一个和Pod同样编号的PVC。这样Kubernetes就可以通过Persitent Volume机制为这个PVC绑定对应的PV,从而保证每一个Pod都拥有独立的Volume。这种情况下即使Pod被删除,它所对应的PVC和PV依然会保留下来,所以当这个Pod被重新创建出来过后,Kubernetes会为它找到同样编号的PVC,挂载这个PVC对应的Volume,从而获取到以前Volume以前的数据;

总结

StatefulSet这个控制器的主要作用之一,就是使用Pod模板创建Pod的时候,对它们进行编号,并且按照编号顺序完成作业,当StatefulSet的控制循环发现Pod的实际状态和期望状态不一致的时候,也会按着顺序对Pod进行操作。

当然 StatefulSet 还拥有其他特性,在实际的项目中,我们还是很少回去直接通过 StatefulSet 来部署我们的有状态服务的,除非你自己能够完全能够 hold 住,对于一些特定的服务,我们可能会使用更加高级的 Operator 来部署,比如 etcd-operator、prometheus-operator 等等,这些应用都能够很好的来管理有状态的服务,而不是单纯的使用一个 StatefulSet 来部署一个 Pod就行,因为对于有状态的应用最重要的还是数据恢复、故障转移等等。​